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Scarab开发出17款产品涉足无质粒生产等四大应用场景

2021-05-14 10:36
动脉网
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人体,严格意义上来讲其实是微生物与人体自身构成的一个复杂组合体。微生物与人体自身细胞的比例高达9:1,在这数以亿计的微生物中,消化道菌群占据着重要的一部分。

说起消化道菌群,不得不聊聊其中的大肠杆菌(Escherichia coli,E.coli,大肠埃希氏菌)。它于1885年被德国奥地利籍儿科医生Theodor Escherich发现,并将其命名为“普通大肠细菌”(Bacterium coli commune)。

1919年,在发现34年之后,为了纪念Escherich,科学家们正式将埃希氏菌属 Escherichia作为大肠杆菌的属名,其名称Escherichia coli和简写E.coli也开始出现在教科书和文献中。

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关于大肠杆菌不同菌株的全部信息 图源OpenWetWare网站

大肠杆菌,数次诺奖的功臣

人体在正常情况下与大肠杆菌是一种互惠共生的关系,大肠杆菌对维持肠胃功能稳定具有重要作用。它能够抑制肠道中的用于分解蛋白质的维生素的生长情况,并减少蛋白质的分解。大肠杆菌还能够在身体中形成维生素B和维生素K,这两项维生素可以帮助身体的肠胃功能维持正常,促进肠胃道新陈代谢。

但是当人体免疫机能下降,肠胃道菌群(如大肠杆菌)失调时。大肠杆菌则会引起胃肠道感染、尿道感染、关节炎、脑膜炎以及败血型感染等疾病。

大肠杆菌的功能不局限与人体自身的新陈代谢,在基因工程、生物能源、微生物工业以及模式生物研究有更广泛的应用。至今已有多项诺贝尔生理学或医学奖授予了利用大肠杆菌进行研究的科学家。

这些研究包括1958年因发现细菌遗传物质的基因重组和组织获奖的Joshua Lederberg;1978年因发现 DNA 限制酶及其在分子遗传学上的应用获奖的Wemer Arber等人;1980年因研究出DNA(脱氧核糖核酸)重组体技术获奖的Paul Berg 等人;2015年因DNA修复的机制研究获奖的Tomas Lindahl、Paul Modrich和Aziz Sancar等。

小小的大肠杆菌就有如此多的科研贡献,那么它是从何而来呢?难道直接用人体内、动物体内代谢产生的大肠杆菌来做实验吗?当然是需要专业的细胞工厂来大规模生产更适用的商业用大肠杆菌。

Scarab,获全球范围内简化基因组技术专利授权

Scarab Genomics.LLC(简称:Scarab),成立于2002年,位于美国麦迪逊威斯康星州。

该公司是由威斯康星大学遗传学家Fred Blattner组建的一家私营公司。其主要业务范围是将清洁基因组(Clean Genome)多重删除系列(Multiple Deletion Series,MDS)大肠杆菌商业化,该业务所用技术是由Fred Blattner博士在威斯康星大学麦迪逊分校时研究产生。Scarab也因此在威斯康星州校友研究基金会获得了专利授权的全球范围内简化基因组技术。

Scarab通过删除超过15%的K-12基因组,对大肠杆菌进行生物工程改造。使用合成生物学方法,进行精确的删除,包括消除不必要的基因、重组和可移动的DNA以及隐性的有毒基因,优化大肠杆菌菌株的生产,提供遗传稳定性更强、代谢效率更优的大肠杆菌。

与传统的常用大肠杆菌相比,清洁基因组大肠杆菌菌株在实验室克隆,质粒DNA产生和重组蛋白表达方面具有如下独特的优势:减少宿主介导的重组不可克隆性、缺少IS元素可保持克隆完整性、基因组减少编辑更简洁、生长密度更高产量更高等优点。

五个系类,17种产品,四个应用领域

Scarab利用清洁基因组大肠杆菌技术开发出了五个系类的产品,这五个系列分别为载体蛋白系列、化学感受态细胞系列、电感受态细胞系列、IS(插入序列)检测系列以及蛋白表达系统系列,产品类别达17种。

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五个系列17种产品

这些产品大致被应用于四个领域:

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无质粒生产

由于解决了低抗原性问题,质粒DNA疫苗(pDNA)受到关注。这些疫苗因其快速的开发周期,温度稳定性和通过大肠杆菌发酵的廉价生产而备受吸引。但是,传统的大肠杆菌菌株在其基因组中包含可移动的DNA元素,其中包括多达65个插入序列(IS)和多达11种部分缺陷的噬菌体。

噬菌体和IS元件均可在生产过程中被激活,从而导致不一致的发酵结果。IS元件还可以转座到质粒产物中,改变治疗剂的序列和功能,导致细菌IS元素可能在给药后进入哺乳动物基因组。通过在pDNA生产的所有步骤中使用大肠杆菌的多个缺失菌株(MDS)可消除这些问题。将这些菌株经过精确设计,即可去除所有噬菌体和转座序列。

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蛋白表达

重组蛋白的用途广泛,包括诊断或疾病治疗或在工业过程中使用。重组蛋白生产则是生命科学中使用的最强大的技术之一。

重组蛋白的表达看起来直截了当:将编码所需蛋白的DNA克隆到表达载体中启动子的下游。将该克隆导入宿主细胞,细胞合成产生所需的蛋白质。但实际上,蛋白质表达非常具有挑战性,该过程易受多种因素影响。

Scarab公司的ScarabXpress产品则可提供任何给定目标蛋白更高的表达水平。它可以实现更严格的表达控制,这对于有害于宿主的周质表达靶标和“毒性”靶标非常有用。在使用相同测试蛋白的并排比较中,ScarabXpress2产生的测试蛋白比大肠杆菌BL21(DE3)多29-36倍和3000倍的诱导范围。

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克隆

现代生命科学依靠生物体基因组的分子操纵来研究单个目标基因。由于DNA的结构是同一物种,因此可以将一个基因剪切粘贴到另一个生物中,表达改进后的基因。通常,克隆是指起源生物以外的生物复制DNA,DNA克隆涉及复制,修饰和扩增目的DNA。克隆已成为分子生物学的基础,具有广泛的应用,包括单个基因的分离,改良基因的表达与制备,蛋白质生产等。

Scarab公司关于这一领域的产品具有如下优点:3000倍归纳范围,可最大程度地优化目标的表达水平;基础表达小,降低对宿主产生不良影响的靶标基因或周质表达靶标;产量高,与野生型大肠杆菌菌株的标准表达载体相比,可实现高达36倍的目标产量;ScarabXpress?-2系统与任何清洁基因组大肠杆菌菌株兼容。

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逆转录病毒,慢病毒和shRNA载体的生产

在pDNA生产中遇到的一个常见挑战是茎环DNA结构的存在,例如病毒长末端重复序列(LTR)或短发夹RNA(shRNA),它们难以复制并且不稳定。清洁基因组大肠杆菌可显著提高pDNA载体生产低及不稳定的能力。


同样,衍生自腺相关病毒(AAV)的载体带有两个反向重复序列,形成40 bp茎。在末端,另外两个9bp的茎分支进一步终止于环结构。这两个茎环本身包含直接重复序列,当在标准大肠杆菌宿主中生长时,这些重复序列特别容易缺失。

Scarab公司使用腺相关病毒pT-ITR-IL2载体,将其转化到MDS?42和未还原的亲本菌株大肠杆菌中。这种具有极端二级结构的清洁基因组大肠杆菌可解决不稳定的生物治疗性pDNA生产问题。

不断有新发现,大肠杆菌还可用于生产环保尼龙、蛋白质

Scarab通过以上五个系类四个应用领域的产品,其产品远销海外。这种情况得益于大肠杆菌产品的广泛市场使用范围,在分子生物学、细胞生物学、细菌学、遗传学、免疫学、生物化学、蛋白质学、细胞疗、临床应用等领域均有大肠杆菌产品的应用。

去年10月,湖北大学李爱涛教授团队利用人工生物合成途径,通过使用生物催化剂、空气中的氧为氧化剂,在常温常压下水溶液中即可完成尼龙重要的中间产物己二酸的制备。该技术将用于制造绿色无污染的尼龙。同期,合成生物学公司AbSci利用其大肠杆菌表达平台 “SoluPro” 来大量生产蛋白质(包括全长抗体、胰岛素等),该平台可在极高的滴度下生成可溶的、正确折叠的蛋白。

未来,大肠杆菌将会带来越来越多的应用,为生物经济时代的到来注入一份力量。

作者:周秋寒

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